热式质量流量计测量电路设计

　　1　测量原理

　　热式质量流量计是在测量管路中加入2个金属铂电阻,一个铂电阻加入较小的电流(电流在4 mA以下,不会引起电阻发热),用于测量被测流体温度,称为测温电阻。一个铂电阻通入较大电流(电流一般在50 mA以上),用于测量被测流体的速度,称为测速电阻。根据热扩散原理,加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。若流体密度为ρ,流速为v,加热物体被流体带走的热量为Q,加热物体与流体的温差为ΔT,则有关系式:

式中:对于组分一定的流体,k1,k2,k3为常数。在横截面为S的管路中,质量流量qm=ρ·v·S.在实际测量过程中,测速铂电阻RH被仪表输入的电流I加热,在热平衡状态下,电流的加热功率与加热电阻被流体带走的热量处于平衡状态,即有:Q=I2·RH.因此质量流量qm与Q/ΔT成一一对应的关系,可表示成

　　由此可以看出,质量流量的测量方法有两种,一种方法为恒流式,即当加热电流I不变时,通过测出流体的温差ΔT(忽略了RH随温度的变化),计算流体的质量流量。另一种方法为恒温差式,表面上是保持加热铂电阻与测温铂电阻的温差ΔΤ不变,实际是通过一个桥式电路保持加热铂电阻和测温铂电阻的温差ΔT与加热铂电阻RH的比值ΔΤ/RH不变,通过测量加热电流I来计算流体的质量流量。采用恒温差方式,利用桥式电路使ΔT/RH为恒定,通过实验标定出质量流量qm与加热电流I的关系曲线,通过测出的电流值I来计算流体的质量流量qm

　　2　测量电路总体设计

　　测量电路的总体框图如图1所示,其中A/D转换器、查表计算和显示(或传输)由单片机实现。桥式电路实现了保持ΔT/RH为定值的目的,当流体的质量流量发生变化时,电桥失去平衡,控制电路测量出不平衡电压,通过改变加热电流,使电桥重新处于平衡状态,加热电流通过电流测量电路转化成电压信号,送入A/D转换器,转换后的数据经查表、计算,求出对应的质量流量,再显示(或传输)给其他设备。

　　主要介绍测速桥式电路、PI控制电路和电流测量电路,具体电路如图2所示。

　　3　桥式电路设计

　　桥式电路包括运算放大器OP07-1、三极管9014、测温铂电阻RT、测速铂电阻RH和精密电阻R1,R2,R3,R4,R5.测速铂电阻RH位于桥式电路的一臂,其通以较大的电流,使之加热。测温铂电阻RT位于桥式电路的另一侧,为了使它自身不产生热量,以保证测量温度与流体温度相等,通过它的电流必须很小,因此RT的电阻值应较大,但如果RT值过大,则测量的热惯性也增大,仪表的响应速度减慢。为了解决此问题,在电路中采用了副电桥(副电桥由OP07-1,9014,RT,R3,R4,R5组成),副电桥相当于一个等效大电阻: